農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)的灌溉管理與節(jié)水增效的路徑分析

摘 要：隨著農(nóng)業(yè)水利工程的不斷創(chuàng)新，高效節(jié)水灌溉已成為農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域的重要課題。深入探討了農(nóng)業(yè)水利工程中高效節(jié)水灌溉的技術(shù)要點(diǎn)，涉及潛在耗水量計(jì)算、基于高效節(jié)水的灌溉制度邊界條件設(shè)定以及灌溉制度設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)問題。通過實(shí)證分析，結(jié)合特定農(nóng)業(yè)水利灌溉工程的概況、機(jī)組選型、灌溉區(qū)供水模式以及灌溉區(qū)田間布置等數(shù)據(jù)，深入剖析了高效節(jié)水灌溉技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：高效節(jié)水；農(nóng)業(yè)水利工程；灌溉制度；潛在耗水量

中圖分類號：S274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）05–0-03

隨著全球人口持續(xù)增長和氣候變化日益嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)水利灌溉管理和水資源利用面臨著緊迫的挑戰(zhàn)。在這樣的背景下，研究和應(yīng)用高效節(jié)水灌溉技術(shù)成為提高農(nóng)田水分利用效率、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。探討了灌溉管理和節(jié)水增效的方法，涵蓋了潛在耗水量計(jì)算、灌溉制度設(shè)計(jì)、機(jī)組選型、供水模式到田間布置等方面的實(shí)證研究。通過深度分析關(guān)鍵技術(shù)并評估實(shí)際應(yīng)用效果，旨在為農(nóng)業(yè)水利灌溉工程的科學(xué)規(guī)劃和實(shí)際操作提供有力支持。面對全球日益緊缺的水資源，高效節(jié)水灌溉技術(shù)不僅對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，也為應(yīng)對全球農(nóng)業(yè)在面臨的水資源壓力挑戰(zhàn)提供了啟示[1]。綜合應(yīng)用這些節(jié)水灌溉技術(shù)，有望在實(shí)踐中推動農(nóng)業(yè)水資源管理邁向更智能、高效、可持續(xù)發(fā)展的臺階。

1 農(nóng)業(yè)水利工程中高效節(jié)水灌溉的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

1.1 潛在耗水量的計(jì)算

在農(nóng)業(yè)灌溉管理中，準(zhǔn)確計(jì)算潛在耗水量是確保高效節(jié)水灌溉的關(guān)鍵。潛在耗水量直接關(guān)系到農(nóng)田水分需求的準(zhǔn)確預(yù)測。為了精確計(jì)算潛在耗水量，必須依賴土壤水分特性曲線。這需要通過實(shí)地采樣和試驗(yàn)，獲取不同土壤類型的水分特性曲線參數(shù)，包括田間持水量、田間枯水量等，從而精確描述土壤對水分的吸收和釋放特性[2]。

建立水分平衡方程是計(jì)算潛在耗水量的重要環(huán)節(jié)，需要考慮降水、蒸發(fā)、滲漏等因素，水分平衡方程可描述為：

潛在耗水量=降水-蒸發(fā)-滲漏（1）

式（1）中，降水需考慮降水的時(shí)空分布特征，蒸發(fā)涉及氣象因素，滲漏則與土壤滲透性有關(guān)，該方程的建立使得潛在耗水量計(jì)算更加全面和準(zhǔn)確[3]。

為了更準(zhǔn)確地估算潛在耗水量，需要引入水分需求模型，考慮作物的生育期和生長階段對水分需求的差異性，以精準(zhǔn)地反映出潛在耗水量時(shí)空變化規(guī)律。建立水分需求的基本框架，選擇基于它的根系吸收、蒸騰散失和蒸發(fā)蒸騰3個(gè)主要過程來描述作物的水分需求，基本框架如下：

WDM=WU+ET+E（2）

式（2）中，WDM為總水分需求，WU為根系吸收的水分，ET為作物的蒸騰散失，E為土壤表面的蒸發(fā)蒸騰。

考慮作物在不同的生育期和生長階段對水分需求的不同，將水分需求模型分段建模。以生育期為基本單位，將其劃分為若干個(gè)階段，每個(gè)階段內(nèi)采用不同的水分需求函數(shù)。以i表示生育期階段，模型可表示為：

WDMi=WUi+ETi＋Ei（3）

式（3）中，WDMi為第i生育期階段的總水分需求，WUi、ETi和Ei分別為該階段的根系吸收、蒸騰散失和土壤表面蒸發(fā)蒸騰。

不同作物在相同生育期和生長階段對水分的需求存在差異，因此引入水分需求函數(shù)進(jìn)行模型擬合。以fi（WUi，ETi，Ei）表示第i階段水分需求函數(shù)，該函數(shù)應(yīng)當(dāng)綜合考慮植物生理特性、土壤狀況和氣象條件等因素。因此，水分需求模型可進(jìn)一步表示為：

WDMi=fi（WUi，ETi，Ei）（4）

為了使模型更貼近實(shí)際情況，需要通過實(shí)測數(shù)據(jù)對水分需求模型的參數(shù)進(jìn)行擬合，利用實(shí)地觀測數(shù)據(jù)，采用參數(shù)優(yōu)化方法（如最小二乘法），對水分需求函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行擬合，驗(yàn)證模型的可行性和精度，通過對比模型估算的水分需求與實(shí)際灌溉數(shù)據(jù)的一致性。

1.2 基于高效節(jié)水的灌溉制度邊界條件的設(shè)置

為達(dá)到高效節(jié)水目標(biāo)，在確定灌溉制度以前要確定邊界條件，農(nóng)業(yè)灌溉符合圖1所示的水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化。

以圖1的水循環(huán)為基礎(chǔ)，從地理、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)方面入手確定邊界條件。地理方面，灌溉制度的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮地形、土壤類型和氣候等因素，按大氣—植被—土壤間的水汽循環(huán)和農(nóng)作物需求情況。在生態(tài)環(huán)境方面，不僅需要考慮水資源利用的可持續(xù)性和水質(zhì)的保護(hù)，而且還要結(jié)合生態(tài)群落，避免生態(tài)環(huán)境被破壞后無法恢復(fù)，可采用多種類型的水資源灌溉和利用方式。在經(jīng)濟(jì)方面，灌溉制度設(shè)計(jì)必須兼顧農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，考慮灌溉與經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量之間的關(guān)系，確保實(shí)現(xiàn)較高的經(jīng)濟(jì)效益。

1.3 灌溉制度的設(shè)計(jì)

按照上述灌溉制度邊界條件，確定出科學(xué)、合理的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉制度，要給予灌溉最大凈水定額，若最大凈灌水定額采用hf，則算式如下：

hf=f" （5）

式（5）中，f是濕潤層土壤干容重，L為土壤濕潤深度，Qm為土壤含水率上限，d b為土壤含水率下限。確定出最大凈灌水定額后，還要給出灌溉周期，假定灌溉周期為T，則T應(yīng)滿足如下算式：

T≤Tmax=（6）

式（6）中，Tmax為最大灌溉周期，ms為最大凈灌水定額，Ia是耗水強(qiáng)度。確定灌水定額和灌溉周期以后，還要建立灌溉自動化運(yùn)行機(jī)制。因灌溉區(qū)域?yàn)槿劳粒蛇_(dá)到的最大灌溉強(qiáng)度為12 mm/h，為防止灌溉時(shí)存在地表徑流，要根據(jù)農(nóng)作物生長周期差異來確定需水量，進(jìn)而選擇出最優(yōu)的灌溉強(qiáng)度。

1.4 土壤水分的監(jiān)測與調(diào)控

土壤水分監(jiān)測與調(diào)控是實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水灌溉的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)用現(xiàn)代傳感技術(shù)，建立科學(xué)的土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測土壤水分狀況，根據(jù)實(shí)際需求智能調(diào)控灌溉水量，提高水資源利用效率。電阻式傳感器通過電阻的變化反映土壤水分含量，適用于多種土壤類型，但需要注意其對鹽分敏感。電容式傳感器可以利用電容的變化來測量土壤水分含量，對鹽分不敏感，適用于不同土壤類型。微波傳感器通過測量土壤中水分對微波的吸收程度，具有較大的測量深度，適用于深層土壤水分監(jiān)測[4]。定期對系統(tǒng)進(jìn)行效果評估，通過比較實(shí)際灌溉水量和系統(tǒng)推薦的水量，評估智能調(diào)控對節(jié)水效果的貢獻(xiàn)，這種循環(huán)的監(jiān)測與調(diào)控機(jī)制能夠不斷優(yōu)化土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，提高其在實(shí)際灌溉管理中的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性[5]。

2 實(shí)證分析

2.1 某農(nóng)業(yè)水利灌溉工程的概況

某農(nóng)業(yè)水利灌溉工程作為一項(xiàng)重要水利基礎(chǔ)設(shè)施，在提高農(nóng)田灌溉效率，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定發(fā)展等方面發(fā)揮著重要作用。該農(nóng)業(yè)水利灌溉工程涉及12個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，服務(wù)范圍覆蓋約1.03萬hm2農(nóng)田。工程規(guī)模龐大，通過建設(shè)灌溉渠道、水庫、泵站等設(shè)施，形成了完備的水利網(wǎng)絡(luò)。不僅為廣大農(nóng)戶提供了穩(wěn)定的灌溉水源，還為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的水利支持。工程主要依賴于附近河流水源，通過建設(shè)引水渠道和攔河壩等設(shè)施，將水引入灌溉網(wǎng)絡(luò)。在干旱季節(jié)，工程還能夠通過配備的蓄水池和地下水井，保障農(nóng)田（主要作物是玉米）的灌溉需求，工程的水源供應(yīng)相對充足，能夠有效減輕季節(jié)性水源波動對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。該工程采用了現(xiàn)代化的灌溉設(shè)施與技術(shù)，包括滴灌、噴灌、定量灌溉等灌溉方式，引入智能化灌溉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對灌溉水量和頻率的智能調(diào)控，提高了水資源的利用效率，灌溉渠道采用優(yōu)質(zhì)防滲材料，減少水分損失，確保水資源能夠高效地傳遞到每一片農(nóng)田。工程對農(nóng)田進(jìn)行了合理布局，確保每塊農(nóng)田都能夠受益于灌溉工程，在灌溉區(qū)域，根據(jù)土壤類型和地形特點(diǎn)，采用差異化的灌溉方案，對不同作物的需水量和生長周期進(jìn)行了科學(xué)評估，建立了靈活多樣的種植結(jié)構(gòu)，提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的多樣性和可持續(xù)性。為確保工程的高效運(yùn)行，建立了完善的灌溉管理與監(jiān)測系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測水位、水質(zhì)、灌溉量等關(guān)鍵指標(biāo)，及時(shí)調(diào)整灌溉方案，保障了農(nóng)田的灌溉需求。灌溉管理團(tuán)隊(duì)采用科學(xué)的管理手段，對農(nóng)戶進(jìn)行培訓(xùn)，提高了農(nóng)民對灌溉設(shè)施的使用效率和增強(qiáng)了對水資源的節(jié)約意識。

2.2 機(jī)組選型

選擇Nelson R3000系列中心支軸式噴灌機(jī)，采用精密設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)噴頭，實(shí)現(xiàn)了水流的均勻分布，避免了過度灌溉或漏灌的問題，配備智能化控制系統(tǒng)，可根據(jù)土壤濕度、氣象條件等方面數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉。采用高強(qiáng)度材料，提高了機(jī)組的耐用性，降低了維護(hù)成本。配合雨滴噴頭進(jìn)行灌溉，流量范圍為1.9～7.6 L/min，雨滴噴頭可形成雨滴形狀的水滴，適用于需要減少水分蒸發(fā)的玉米，該系統(tǒng)機(jī)型參數(shù)如表1所示。

2.3 灌溉區(qū)供水模式

灌溉區(qū)供水模式是農(nóng)業(yè)水利灌溉工程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到水資源的利用效率和灌溉效果。在灌溉工程中，常見的供水模式包括地面灌溉、滴灌、噴灌等形式，每種供水模式都有自身特定的優(yōu)勢和適用場景。地面灌溉通過灌溉渠道或管道將水源引入田地，然后通過自由流水或灌溉設(shè)備實(shí)現(xiàn)灌溉，而滴灌將水通過管道和滴頭滴到植物根區(qū)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的精準(zhǔn)灌溉。噴灌利用噴頭將水以霧狀或雨?duì)钚问骄鶆驀姙⒃谥参锷希梢愿采w較大面積。

由表2可知，平均水分利用效率為指植物對灌溉水分的利用效率，百分比越高表示水分利用效果越好。從灌溉水量減少率方面來看，相對于地面灌溉，其他供水模式下的灌溉水量減少百分比；從產(chǎn)量增加率方面來看，相對于地面灌溉，其他供水模式下的產(chǎn)量增加百分比。

2.4 灌溉區(qū)的田間布置

灌溉區(qū)田間布置直接關(guān)系到灌溉水分的利用效率，在灌溉區(qū)不同的田間布置方案設(shè)計(jì)要從行距、作物種植密度、排水系統(tǒng)等方面考慮，并比較疏植與密植、不同行距、不同排水系統(tǒng)等布置方案。

由表3可知，平均水分利用效率指的是植物對灌溉水分的利用效率，百分比越高表示水分利用效果越好。灌溉水量減少率方面，相對于傳統(tǒng)布置方案，其他布置方案下的灌溉水量減少百分比。產(chǎn)量增加率方面，相對于傳統(tǒng)布置方案，其他布置方案下的產(chǎn)量增加百分比。密植布置在平均水分利用效率上表現(xiàn)較好，但同時(shí)灌溉水量減少率相對較低，產(chǎn)量增加率較一般。疏植布置在水分利用效率和產(chǎn)量增加率上均表現(xiàn)較好，但灌溉水量減少率相對較高。大行距、小行距兩者在平均水分利用效率和產(chǎn)量增加率上存在差異，需要綜合考慮成本和效益。采用先進(jìn)排水系統(tǒng)的布置方案在水分利用效率和產(chǎn)量增加率上均表現(xiàn)較好，同時(shí)灌溉水量減少率最高。

3 結(jié)論

第一，采用先進(jìn)的潛在耗水量計(jì)算方法，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測農(nóng)田的水分需求，避免了灌溉中的浪費(fèi)或不足；第二，先進(jìn)的灌溉制度設(shè)計(jì)和機(jī)組選型增強(qiáng)了灌溉效果，減少了水資源的使用量，同時(shí)提高了農(nóng)田產(chǎn)量；第三，采用高效的供水模式，如滴灌和噴灌，顯著提高了水分的利用效率，實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)灌溉；第四，合理的田間布置方案在提高水分利用效率和增加產(chǎn)量方面表現(xiàn)出色，尤其是采用疏植和先進(jìn)排水系統(tǒng)的效果更為顯著。

綜上所述，通過對高效節(jié)水灌溉技術(shù)的實(shí)證應(yīng)用，驗(yàn)證了所提出的灌溉管理與節(jié)水增效的途徑在實(shí)際中的可行性和效果，這些技術(shù)的綜合應(yīng)用不僅增強(qiáng)了灌溉效果，減少了水資源浪費(fèi)，還為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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作者簡介：盛金奇（1986—），男，甘肅高臺人，水利工程師，主要從事農(nóng)村人飲工程及灌溉用水運(yùn)行管理工作。